PRACE ORYGINALNE

(1)

Słowa kluczowe: mała zurbanizowana zlew- nia, model SWMM, intensywne deszcze, prze- pływy wezbraniowe

Key words: small urbanized drainage basin, SWMM model, heavy rainfall, freshet fl ows

Wprowadzenie

Postępująca urbanizacja zlewni miejskich, przejawiająca się zwiększeniem udziału powierzchni szczelnych i skanalizowanych, przyczynia się do nasilenia intensywności odpływu wywołanego deszczami. Ze względu na ograniczo- ną przepustowość sieci kanalizacyjnej i kanałów otwartych dochodzi na obszarze zlewni do podtopień i związanych z tym utrudnień w komunikacji, strat ma- terialnych i środowiskowych. W skraj- nym przypadku skutkiem pojawienia się deszczy o małym prawdopodobieństwie wystąpienia może mieć miejsce powódź, zagrażająca życiu ludzi.

Wobec występowania przytoczonych konsekwencji podtopień pojawiających się po intensywnych deszczach, także w badanej zlewni, stajemy przed koniecz- nością zmniejszenia ryzyka ich występo- wania. Pierwszym krokiem w tych działa- niach jest ocena tego ryzyka, a następnie wprowadzenie w zlewni odpowiednich działań ograniczających szybki spływ wód deszczowych, w głównej mierze przez urządzenia techniczne ze względu na zurbanizowany charakter zlewni.

Podstawą zarówno do oceny zagro- żenia powodziowego, jak i do projektowania budowli/urządzeń regulujących odpływ wód deszczowych są przepły- wy o zadanym prawdopodobieństwie przekroczenia. Określenie przepływów prawdopodobnych z wystarczająco dużą dokładnością jest jednak trudne w przypadku zlewni miejskiej ze względu na dużą zmienność obszarową odpływu, wynikającą z mozaikowości użytkowa-

PRACE ORYGINALNE

Mariusz BARSZCZ

Katedra Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska SGGW w Warszawie

Department of Hydraulic Engineering and Environmental Restoration WULS – SGGW

Prognoza maksymalnych przepływów prawdopodobnych wywołanych ulewami w zurbanizowanej zlewni Potoku Służewieckiego

Forecast of probably fl ows caused by heavy rainfall on

urbanized drainage basin of Służew Stream

(2)

nia zlewni cząstkowych charakteryzują- cych się odmiennym współczynnikiem spływu, ponadto z występowania licz- nych budowli i urządzeń opóźniających odpływ (np. przepusty, zbiorniki) oraz sieci kanalizacyjnej, która przyspiesza odpływ wód deszczowych i ścieków do odbiorników.

W niniejszym artykule podjęto pró- bę wykorzystania modelu SWMM systemu hydrologicznego i hydraulicznego na przykładzie zurbanizowanej zlewni Potoku Służewieckiego do prognozy przepływów o określonym prawdopo- dobieństwie przekroczenia na podstawie symulacji.

Praca ta została sfi nansowana ze środków przeznaczonych na naukę w latach 2006–2009 jako projekt badawczy.

Opis zlewni badawczej

Obiektem symulacji była zlewnia Potoku Służewieckiego ograniczona profi lem pomiarowym Rosoła (nazwa pochodzi od pobliskiej ulicy o dawnej nazwie Jana Rosoła). Analizowany profi l Rosoła zamyka zlewnię (topografi czną z włączeniem obszarów odwadnianych siecią kanalizacyjną) o powierzchni 39,6 km², na 4+870 km Potoku Służewiec- kiego (rys. 1). Całkowita długość kanału głównego wynosi 14,9 km. Do począt- ku lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku Potok Służewiecki posiadał cechy cieku naturalnego. Wraz z rozwojem urbani- zacji stał się kanałem (częściowo kry- tym – głównie w górnej części zlewni), przyjmującym spływy powierzchniowe ścieków deszczowych i zrzuty z kanali- zacji deszczowej.

W rozpatrywanym profi lu hydrologicznym Katedra Inżynierii Wodnej i Re- kultywacji Środowiska SGGW zainsta- lowała łatę wodowskazową oraz elektro- niczne urządzenie do rejestracji stanów wody (typu Diver). Pomiary przepływu w tym profi lu posłużyły do konstrukcji krzywej natężenia przepływu, która jest na bieżąco weryfi kowana. Do analizy pola opadów w zlewni wykorzystano pomiary elektronicznych deszczomierzy korytkowych. Dwa posterunki opadowe („Ursynów” we wschodniej części zlewni – na obszarze SGGW, oraz „Pyry” na skrzyżowaniu ulic Puławskiej z Kajako- wą – w południowej części zlewni) po- wstały w ramach projektu badawczego COST/210/2006. Deszczomierz „Okę- cie” położony w zachodniej części zlewni, na obszarze Portów Lotniczych Okę- cie, należy do sieci pomiarowej IMGW.

Rozpatrywana zlewnia zurbanizowana charakteryzuje się 21-procentowym udziałem powierzchni nieprzepuszczalnych i skanalizowaniem wynoszącym w przybliżeniu 60% (Banasik i in. 2007).

Sprzyja to występowaniu częstych i gwałtownych wezbrań wylewających się z koryta i podtapiających przyle- głe tereny. Gwałtowny spływ deszczy powoduje także przepełnianie się sieci kanalizacyjnej i podtapianie nawet odle- głych od koryta obszarów zlewni. Szcze- gólnie duży wpływ na kształtowanie się gwałtownych przyborów wody w profi lu Rosoła ma zlewnia cząstkowa obejmu- jąca dzielnicę Ursynów, z której wody deszczowe odprowadzane są kolektorem burzowym w niewielkiej odległości po- wyżej profi lu zamykającego. Tak duży wpływ tej małej zlewni cząstkowej, której powierzchnia wynosi zaledwie 4,51 km², wynika z 40-procentowego

(3)

pokrycia obszarami nieprzepuszczalny- mi i pełnego (100%) skanalizowania.

Szerszy opis zlewni badawczej zawiera Operat hydrologiczny… (2002).

Charakterystyka modelu SWMM Model komputerowy SWMM (Storm Water Management Model) w wersji 5.0, opracowany przez Agencję Ochro- ny Środowiska Stanów Zjednoczonych (U.S. Environmental Protection Agency – EPA) przy współpracy z fi rmą inży- nierską Camp Dresser & McKee Inc., został wykorzystany do modelowania transformacji opadu w odpływ. SWMM to model dynamiczny (modelujący procesy zachodzące w systemie zlewni w funkcji czasu) przeznaczony do symulacji odpływu wód (także zanieczysz-

czeń) w reakcji na pojedyncze lub ciągłe (długoterminowe) zdarzenia opadowe zasadniczo w zlewniach zurbanizowanych.

W strukturze omawianego modelu matematycznego można wyodrębnić 2 bloki (procedury), określone przez au- tora artykułu jako „Odpływ” i „Trans- port” (w tłumaczeniu oryginału z jęz.

ang.), realizujące procedury obliczeniowe procesów zachodzących w hydrologicznym i hydraulicznym systemie zlewni. Procedura „Odpływ” bazuje na zbiorze zlewni cząstkowych z określo- nymi atrybutami (stanowiących homogeniczne obszary wydzielone w zlewni dla uwzględnienia przestrzennej zmienności modelowanych procesów hydrologicz- nych), które transformują spadający na ich powierzchnię opad w odpływ. Dru- ga część modelu – „Transport”, realizuje

WISàA Vist

ulaR iver

POTOK SàUĩEWIECKI SáuĪew Stream

1

JEZIORO WILANOWSKIE Wilanów Lake

2

RÓW GRABOWSKI Grabów Trench

Profil hydrometryczny Hydrometric profile - Rosoáa Posterunki opadowe Rain-gauging stations 1 – OkĊcie, 2 – Ursynów, 3 – Pyry Zbiorniki wodne/Reservoir I – Staw Berensewicza II – Staw WyĞcigi

Potok SáuĪewiecki/SáuĪew Stream Kanaá otwarty/Open channel Kanaá zamkniĊty/Closed channel Zlewnia „Ursynów”/Subbasin 3

I II

RYSUNEK 1. Zlewnia Potoku Służewieckiego po profi l Rosoła i ujście do Jeziora Wilanowskiego FIGURE 1. The basin of Służew Stream up to the Rosoła measuring profi le and to the Wilanów Lake

(4)

procedurę obliczeniową transportu od- pływu do profi lu zamykającego i jego transformacji przez przewody sieci kanalizacyjnej, koryta naturalne i sztuczne (kanały), zbiorniki otwarte i zamknięte, przepusty oraz pompy i regulatory prze- pływu (urządzenia i budowle służące do regulowania i zmiany kierunku przepły- wu, takie jak: zastawki, upusty, przelewy czołowe i boczne, zwężki, zawory, klapy zwrotne).

Przedstawiona ogólna struktura modelu (podział na bloki „Odpływ” i „Trans- port”) składa się z szeregu modeli (sub- modeli) komponentów systemu zlewni, opisujących poprzez funkcje matema- tyczne zespół procesów zachodzących w poszczególnych środowiskach (naturalnych i sztucznych) występowania wody w zlewni. Możemy wyróżnić w modelu następujące submodele kompo- nentów zlewni:

submodel atmosferyczny, wykorzy- stujący obiekt „Posterunek opado- wy” do reprezentowania opadu (wy- sokości opadu w przyjętych prze- działach czasowych) zasilającego obszar zlewni,

submodel powierzchni zlewni, skła- dający się z jednej lub wielu wy- odrębnionych zlewni cząstkowych, opisujący transformujące opad (po- chodzący z submodelu atmosferycz- nego) w odpływ działanie zlewni, submodel strefy gruntu (aeracji i saturacji), którego wejściem jest za- silanie wodami infi ltrującymi z powierzchni zlewni, a wyjściem odpływ podpowierzchniowy i gruntowy, submodel (blok) transportu, opisują- cy proces transportu i transformacji odpływu (powierzchniowego, pod- powierzchniowego i gruntowego) –

–

w systemie hydrologicznym i hydraulicznym zlewni.

Przedmiotem modelowania matematycznego w wymienionych submodelach w reakcji na zadaną wysokość opadu są wywołane nim procesy hydrologiczne (fazy obiegu wody):

odpływ powierzchniowy, podpowierzchniowy i gruntowy,

infi ltracja opadu do strefy aeracji i saturacji,

retencja opadu w zagłębieniach terenowych i zwilżenie powierzchni terenu,

parowanie ze stojących wód powierzchniowych (zbiorników).

Przebieg procesu transformacji opadu w odpływ w modelu SWMM jest opi- sany równaniami fi zyki matematycznej zachowania masy, energii i pędu (użyt- kownik modelu ma do wyboru proce- durę „przepływu ustalonego”, „fali ki- nematycznej” lub „fali dynamicznej”).

Oznacza to, że parametry modelu są fi zycznie mierzalnymi charakterystyka- mi zlewni i aktualnych warunków hy- drometeorologicznych. Ponadto funkcje operatora systemu mają charakterystykę nieliniową (funkcje transformujące modelu nie spełniają zasady superpozycji).

Oznacza to, że model reaguje nieliniowo na zmienne wejścia, co ogólnie przyjmu- je się za zgodne z przebiegiem procesu opad – odpływ w rzeczywistej zlewni.

Do opisu procesu opad – odpływ w zlewni zurbanizowanej stosowanych jest wiele różnorodnych modeli mate- matycznych, różniących się strukturą i przedmiotem modelowania (modele pojedynczych procesów, komponentów, integralne i globalne), czynnikiem czasu (modele statyczne lub dynamiczne), wartości poznawczych modelu, jedno- –

– –

–

(5)

znaczności uzyskiwanych wyników, sto- sowanego podejścia i metod rozwiąza- nia (modele „białej skrzynki”, „czarnej skrzynki” i inne) oraz własnością funkcji operatora (modele liniowe, nieliniowe i inne). Obszerną charakterystykę metod i modeli stosowanych do wyznaczania odpływu w zlewniach miejskich przed- stawiła w swoim artykule Gutry-Ko- rycka (2007). Wśród nich opisane są:

rozpoczynając od najprostszych – for- muła racjonalna zaproponowana przez Mulvaney’a w 1851 roku, a z bardziej złożonych – jednowymiarowy model hydrodynamiczny. Poza tym w artykule można znaleźć opis modeli: hydrogramu jednostkowego, chwilowego hydrogramu jednostkowego (IUH) według Lutza, modelu Nasha – kaskady zbiorników li- niowych oraz modelu SCS opadu efek- tywnego (według nazewnictwa w przy- toczonym artykule). Przykłady prak- tycznego zastosowania metod/modeli do symulacji w zlewniach miejskich można znaleźć w publikacjach Oksiuty (2007) – na podstawie metody izochron, oraz Bielawskiego (1994), który wykorzystał do analiz model Nasha.

Prezentowany w artykule model SWMM ma strukturę i procedurę ob- liczeniową zbliżoną do wymienionego jednowymiarowego modelu dynamicz- nego, oba dzielą się na dwa połączone modele zlewni (bloki), tj. hydrologiczny oraz hydrauliczny, oraz wykorzystują do obliczeń transformacji opadu w od- pływ równania fi zyczno-matematycz- ne. Model SWMM odznacza się jednak dokładniejszym opisem systemu zlewni i zachodzących w nim procesów, posiada większą liczbę parametrów (fi zycznie mierzalnych – omówione w kolejnym rozdziale), szczegółowo opisujących

obiekty systemu zlewni kształtujące proces opad – odpływ. W przeciwieństwie do pozostałych wymienionych metod/

/modeli SWMM jest złożonym modelem dynamicznym o znanej strukturze wewnętrznej (model „białej skrzynki”), o parametrach przestrzennie rozłożonych, ponadto jest modelem nieliniowym, opi- sującym szereg procesów hydrologicz- nych i hydraulicznych, rozpatrując je w poszczególnych środowiskach (submodele komponentów zlewni). Stanowi więc cenne narzędzie badawcze, projektowe lub praktyczne w zarządzaniu od- pływem w zlewni, bowiem wprowadza- jąc do modelu warianty zmiennych wej- ścia (np. opadów), parametrów zlewni (np. wynikających ze zmiany użytkowa- nia zlewni cząstkowych) i nowe obiekty (np. zbiornik retencyjny), można poznać zachodzące między nimi relacje, wpływ poszczególnych czynników i genezę for- mowania się zjawisk.

Model zlewni badawczej

Adaptacja modelu komputerowego SWMM, wykorzystanego do modelowania transformacji opadu w odpływ w zlewni badawczej Potoku Służewiec- kiego, polegała na utworzeniu w oknie modelu (programu) obiektów, które re- prezentują fi zyczne składniki realnego (rzeczywistego) systemu hydrologicznego i hydraulicznego zlewni, a następnie na określeniu zależności między nimi oraz wartości ich parametrów (atrybu- tów). Do oszacowania i identyfi kacji pa- rametrów obiektów modelu wykorzystano pomierzone w terenie i zidentyfi kowa- ne na podstawie dostępnych materiałów (projektów, opracowań) charakterystyki

(6)

realnych obiektów oraz wartości para- metrów zalecane w tabelach podręczni- ka modelu (Rossman 2005) lub podawa- ne w literaturze (Peterson i Wicks 2006, Park i in. 2008). Poniżej przedstawiono obiekty i ich parametry, które uwzględ- niono w modelu badanej zlewni.

Sumy opadów rzeczywistych wykorzystanych do kalibracji i weryfi kacji modelu (opisanej w dalszej części pracy) oraz w obliczeniach służących do prognozy maksymalnych przepły- wów prawdopodobnych określono we właściwościach obiektu nazwanego w modelu „Posterunkiem opadowym”, w przyjętych 10-minutowych przedzia- łach czasowych. Uwzględniono w systemie zlewni 3 posterunki (funkcjonujące we wschodniej, zachodniej i południo- wej części zlewni), opisane dokładniej w rozdziale „Opis zlewni badawczej”.

Obszarową zmienność spływu powierzchniowego uwzględniono przez podział zlewni na 2076 homogeniczne zlewnie cząstkowe. Głównym kryterium podziału był charakter użytkowania i związany z nim procent nieprzepusz- czalności. Podział na zlewnie cząstkowe ilustruje rysunek 2, odpowiadający sche- matowi przyjętemu w modelu SWMM.

Parametrami opisującymi proces spływu powierzchniowego z poszczególnych zlewni cząstkowych, które zostały zde- fi niowane w modelu, są:

powierzchnia zlewni, obliczana w modelu automatycznie w wyniku georeferencji mapy rastrowej bada- nego obszaru, tj. mapy topografi cznej (2004) w skali 1 : 10 000, szerokość warstwy odpływu powierzchniowego, ustalana w procesie kalibracji,

–

spadek powierzchni zlewni, obli- czany w każdej zlewni cząstkowej z numerycznego modelu terenu (DTM – Digital Terrain Model) utworzone- go w programie ArcView GIS, procentowy udział powierzchni nieprzepuszczalnych, określany zgod- nie z rodzajem użytkowania, który identyfi kowano z mapy topografi cznej i zdjęć lotniczych (stan z 2005 r.) w każdej z wydzielonych zlewni homogenicznych; wykorzystano także zalecenia przyjęte przez ATV (1990, 1997) i Rossmanna (2005), które zweryfi kowano na podstawie pomiarów rzeczywistych; wzoru- jąc się na specyfi kacji parametrów podanych przez Rossmanna (2005) w odniesieniu do metody CN-NRCS, wyróżniono następujące typy użyt- kowania, którym przyporządkowa- no procentowy udział powierzchni nieprzepuszczalnych: nieużytki, łą- ki, grunty orne, lasy, sady, tereny otwarte (parki, cmentarze, trawniki z alejkami, place zabaw), tereny han- dlowe i przemysłowe, parkingi, jezd- nie, grunty utwardzone oraz obszary zabudowy; w przypadku obszarów zamieszkałych wydzielono 5 katego- rii nieprzepuszczalności, odpowia- dające różnym typom budownictwa (< 20, 20–25, 25–30, 30–38 oraz 38–65%),

współczynnik szorstkości terenu powierzchni przepuszczalnych i utwar- dzonych przyjmowany według da- nych z literatury,

miąższość warstwy wody możliwej do zatrzymania w depresjach terenowych (detencja) i zwilżenia ich powierzchni przyjmowana wstępnie z literatury w odniesieniu do każde- –

–

(7)

go rodzaju użytkowania, a następnie kalibrowana za pomocą pomiarów relacji opad – odpływ,

udział (procentowy) obszarów w nie- przepuszczalnej części powierzchni danej zlewni cząstkowej, w których wody deszczowe nie mogą być za- trzymane w obniżeniach terenowych (obszar nieprzepuszczalny bez retencji depresyjnej),

wartości parametru CN (Curve Num- ber), określane w przyjętej metodzie CN-NRCS (SCS) do obliczania warstwy odpływu (Natural Resour- ces Conservation Service – Służba Ochrony Zasobów Naturalnych) w odniesieniu do wyróżnionych ty- pów użytkowania i rodzajów gleb określonych na podstawie map opra- cowanych przez Instytut Geologicz- ny (Szczegółowa mapa... 1978) oraz dla założonych przeciętnych warun- ków wilgotnościowych zlewni; poza metodą CN-NRCS obliczania warstwy odpływu (warstwy opadu efek- tywnego wynikającego z różnicy między opadem całkowitym i strata- mi – głównie na infi ltrację), opisaną przez SCS (1972), Ciepielowskiego i Dąbkowskiego (2006), użytkow- nik modelu ma do wyboru dwa inne modele infi ltracji, tj. Green-Ampt i Hortona.

Odpływ wód deszczowych ze zlewni poprzez sieć kanałów otwartych (w tym koryto potoku głównego) i zamkniętych (sieci kanalizacyjnej) modelowano za pomocą wydzielenia 613 odcinków ka- nałów i 599 węzłów połączeniowych (umieszczonych w miejscu określają- cym zmianę charakterystyki kanałów), defi niując ich parametry geometryczne, takie jak:

–

kształty (zidentyfi kowano przekroje kołowe i gruszkowe) oraz wymiary kanałów zamkniętych,

przekroje poprzeczne kanałów otwartych, określono 12 pomierzonych przekrojów rozłożonych na długo- ści 4130 m kanału głównego, tj. od profi lu pomiarowego zamykającego w górę system drenażu do oczyszczalni ścieków na obszarze lotniska Okęcie (9+000 km), powyżej której kanał przekształca się z charakteru otwartego w zamknięty,

długości kanałów obliczane w modelu automatycznie,

współczynniki szorstkości Manninga kanałów zamkniętych i otwartych, w przypadku kanałów otwartych zróżnicowano wartości współczyn- nika dla koryta głównego i terenów zalewowych,

przepływ początkowy w kanałach otwartych, przyjęto stałą wartość 0,2 m³·s^–1,

współczynniki strat na wejściu i wyj- ściu, określone dla wydzielonych (między węzłami) odcinków kana- łów zamkniętych,

charakterystyki węzłów połączenio- wych sieci kanalizacyjnej, w realnej zlewni węzły są studzienkami rewi- zyjnymi lub połączeniowymi, zlo- kalizowanymi w miejscach zmiany kierunku przepływu wody, spadków lub zmiany średnicy kanałów za- mkniętych; w przypadku charakte- ryzowania węzłów określano rzędne i głębokości położenia dna studzie- nek oraz szacowano zasięg wyle- wów wód deszczowych ze studzie- nek w przypadku wystąpienia odpły- wu przekraczającego przepustowość sieci kanalizacyjnej.

–

– –

–

(8)

Kolejne elementy systemu hydrologicznego badanej zlewni, które zostały uwzględnione w modelu, to podziemne zbiorniki retencyjne. Ich budowę, prze- prowadzoną na zlecenie Portów Lotni- czych Okęcie, ukończono w czerwcu 2005 roku, a więc przed rozpoczęciem pomiarów natężenia przepływu wykorzystanych do kalibracji i weryfi kacji modelu. Wybudowanie 5 zbiorników o łącznej pojemności 42 490 m³ (ich po- łożenie ilustruje rys. 2) ma obecnie zasadniczy wpływ na kształtowanie odpły- wu z górnej części zlewni, tj. powyżej

wylotu Potoku Służewieckiego, stano- wiącej w przybliżeniu 33% powierzchni rozpatrywanej zlewni.

Zbiornik oznaczony skrótem ZR1, o pojemności czynnej wynoszącej około 8000 m³, położony jest w górnej części obszaru lotniska i ma za zadanie prze- chwytywać wody deszczowe dopły- wające z wyżej położonych obszarów zabudowanych. Zbiorniki ZR2 i ZR3, o pojemności 11 130 i 15 620 m³,znaj- dują się w dolnej części lotniska, tuż przy kanale zamkniętym Potoku Służe- wieckiego. Czwarty zbiornik – ZR4, jest

DK-A0PPS1

DK-D1 PPS-5 PPS-4PPS-2

DK-D2 DK-D3 DK-D4

DK-A2

DK-A3 PPS-7PPS-8

DS-1 DS-3 DS-3

PPS-3

DK-A5 DK-A6 ObjaĞnienia/Legend

- wĊzáy poáączeniowe/junctions - kanaá otwarty i zamkniĊty/

open and closed channel - zbiorniki podziemne/tanks Zlewnie cząstkowe z udziaáem powierzchni nieprzepuszczalnych w zakresach:

Partial basins with the proportion of impermeable areas ranging from:

0-20 [%]

20-40 [%]

40-60 [%]

60-80 [%]

80-100 [%]

Profil obliczeniowy Rosoáa Design profile „Rosoáa”

ZR

ZR1

ZR2 i 3

ZR4 ZR5

RYSUNEK 2. Zlewnia Potoku Służewieckiego w modelu SWMM z podziałem na zlewnie homogeniczne

FIGURE 2. The Służew Stream basin in the SWMM model with the division into homogeneous basins

(9)

zlokalizowany poniżej CARGO (towa- rowej obsługi lotniskowej), a jego po- jemność wynosi 1900 m³. Zbiornik ZR5 (najniżej położony w układzie drenażu) jest włączony w system technologiczny oczyszczania ścieków odpływających z lotniska, jego pojemność wynosi 5840 m³, łącznie z uwzględnieniem osadni- ka deszczowego. Maksymalny dopływ do tego zbiornika (5,31 m³·s^–1) został oszacowany według czasu oczyszczania ścieków deszczowych w oczyszczalni z uwzględnieniem pojemności zbiornika oraz na podstawie maksymalnego do- puszczalnego odpływu do Potoku Słu- żewieckiego, który według pozwolenia wodno-prawnego wynosi 1,53 m³·s^–1. Jeśli dopływ jest większy od wartości krytycznej 5,31 m³·s^–1, wówczas wody deszczowe sąkierowane poprzez kanał ulgi do głównego cieku, z pominięciem zbiornika ZR5.

Poza wymienionymi zbiornikami krytymi w modelu uwzględniono nastę- pujące istniejące zbiorniki powierzchniowe (starorzecza, stawy, jeziora):

Jezioro Grabowskie i Jezioro Imie- lińskie, przez które następuje prze- pływ Kanałem Grabowskiego (od- pływ wód z jego zlewni), prawego dopływu Potoku Służewieckiego, Staw Berensewicza, zlokalizowany powyżej ujścia Kanału Grabowskie- go do Potoku (w 8+000 km), którego zadaniem jest retencjonowanie wód deszczowych; objętość planowanej w projekcie rezerwy powodziowej zbiornika (maksymalnie 10 180 m³, jak podają Gradowski i Banasik 2007), zależy od jego napełniania następującego przez przelew boczny, –

–

jednak dopiero wówczas, gdy prze- pływ Potoku Służewieckiego prze- kroczy wartość krytyczną 5,5 m³·s^–1, Staw Wyścigi, znajdujący się na 6+590 km biegu kanału głównego, o określonej pojemności przeciwpo- wodziowej, odpływ poniżej stawu jest ograniczony przepustem o wydatku 2,63 m³·s^–1.

Poza wymienionymi urządzeniami sterującymi falą wezbraniową uwzględ- niono w modelu opad – odpływ przepusty, ograniczające swobodny odpływ wód deszczowych. W zlewni Kanału Grabowskiego (zamykającej powierzch- nię 12,5 km², charakteryzującej się niewielkim stopniem zurbanizowania) uwzględniono 29 małych przepustów drogowych. Ich specyfi kę określono za pomocą właściwości obiektu, według numeru kodu odpowiadającego danemu typowi konstrukcji przepustu. Natomiast w Potoku Służewieckim uwzględniono przepust pod ulicą Kłobucką długości 19,6 m (od 8+547 km do 8+528 km), położony około 450 m poniżej wylotu z obszaru lotniska Okęcie, oraz przepust pod ulicą Łączyny długości 177 m (od 7+806 km do 7+629 km), zlokalizowany poniżej ujścia Kanału Grabowskiego.

Wydatek przepływu pierwszego z nich wynosi w przybliżeniu 3,0 m³·s^–1 i jest znacznie mniejszy od przepustowości głównego koryta w przekroju górnym, który przy głębokości wody brzegowej wynosi około 32,0 m³·s^–1. Wymienione wartości przepływu przyjęto za Bajkow- skim (2008). Przepływ przez przepust pod ulicą Łączyny jest limitowany do maksymalnej wartości około 3,6 m³·s^–1. –

(10)

Weryfi kacja modelu opad – odpływ

Kolejnym etapem adaptacji modelu SWMM dla zurbanizowanej zlewni Po- toku Służewieckiego była jego kalibra- cja i weryfi kacja. W procesie kalibracji, opisanej szczegółowo we wcześniejszej publikacji (Barszcz 2009), prowadzono symulację wezbrań wywołanych ulewami w profi lu zamykającym, hydrogramy zaś rzeczywiste i symulowane były po- równywane, zwłaszcza ich przepływy maksymalne, objętości fali wezbraniowej oraz czas opóźnienia (LAG) od- pływu (mierzony pomiędzy środkami ciężkości hietogramu opadu efektyw- nego i hydrogramu). Różnicę między pomierzonym i symulowanym wezbra- niem określono jako błąd względny.

W przypadku przepływów błędy względ- ne zawierały się w granicach od –0,36 do –3,34%, a dla objętości wezbrań od –0,1 do –25,2%, natomiast dla czasu opóźnie- nia (LAG time) błędy wynosiły od –10,1 do 29,9%. Uzyskane w kalibracji modelu wartości błędów uznano za zadowalające i przystąpiono do weryfi kacji modelu.

Weryfi kację modelu przeprowadzono na podstawie 12 wybranych ulew, zarejestrowanych w latach 2007–2008, które wywołały najwyższe przepływy w profi lu zamykającym. W tabeli 1 zestawiono wysokości opadów deszczu pomierzone w trzech posterunkach oraz wywołane nimi przepływy maksymalne i objętości odpływu (obliczone dla 12 godzin czasu ich trwania). Oceny zgod- ności wartości pomierzonych i symulowanych wezbrań dokonano za pomocą błędu względnego.

Spośród 12 ulew wywołujących wezbrania 7 zarejestrowały trzy poste-

runki opadowe, natomiast pozostałe 5 zdarzeń, ze względu na awarie elektro- nicznego deszczomierza na posterunku

„Pyry”, zarejestrowały dwa posterunki.

Pomierzone sumy wysokości deszczy przez posterunek „Okęcie” wynosiły od 1,0 do 24,2 mm (wartość średnia 7,6 mm), natomiast na posterunkach „Ursy- nów” i „Pyry” zmieniały się od 4,0 do 81,5 mm (wartość średnia 15,7 mm) oraz od 2,6 do 37,8 mm (wartość śred- nia 9,2 mm). Szczególnego komentarza wymaga wartość sumy deszczu pomierzonej przez posterunek „Ursynów”

w dniu 15.08.2008 roku, wynosząca 81,5 mm, która jest większa od sumy wyso- kości deszczu obliczonej ze wzoru Bog- danowicz i Stachy’ego dla założonego prawdopodobieństwa p = 1% (przy tym samym czasie trwania co deszcz pomierzony), wynoszącej 70,6 mm.

Przepływy maksymalne (odniesio- ne do przepływu całkowitego) pomierzonych wezbrań wynosiły od 3,277 do 22,098 m³·s^–1, a symulowanych od 3,032 do 23,576 m³·s^–1. Wartość średnia tych przepływów, obliczona z wartości pomierzonych, wynosiła 7,360 m³·s^–1, przy odchyleniu standardowym 5,659 m³·s^–1, a z wartości symulowanych 8,025 m³·s^–1, przy odchyleniu standardowym 5,810 m³·s^–1. Wartość średnia symulowanych przepływów jest więc większa od wartości średniej pomierzonych przepływów o 9,04%.

Błąd względny symulacji przepływów, tj. różnica między wartościami symulo- wanymi i rzeczywistymi odniesiona do wartości pomierzonej, wynosi od –19,6 do 44,9%, a jego wartość średnia 11,3%, przy odchyleniu standardowym 19,6%.

Dla siedmiu spośród 12 analizowanych zdarzeń obliczony błąd oceny przepły-

(11)

TABELA 1. Wartości pomierzone i symulowane zdarzeń uzyskane do weryfi kacji modelu odpływu SWMM w zurbanizowanej zlewni Potoku Służewieckiego TABLE 1. Characteristics of the measured and simulated event, used for the model verifi cation Lp. No Data wystąpienia zdarzenia Date of the event Wysokość deszczu P Rain depthPrzepływ pomierzony Qmax Measured fl ow

Przepływ symulowany Qmax Simulated fl ow Błąd względny oceny przepły- wu Error of Qmax estimation Objętość wezbrania pomierzona V Measured fl ow volume Objętość wezbrania symulo- wana V Simulated fl ow volume

Błąd względny oceny objętości Error of V esti- mationOUP mmm3 ·s–1 m3 ·s–1 %m3 m3 % 121.06.20079,88,83,65,4005,8127,671145,958107,2–18,3 202.07.20078,611,0–6,4618,48531,360916,966929,99,9 325.07.20072,85,1–3,7703,032–19,634408,122559,1–34,4 427.07.200711,25,7–6,2677,15314,175445,557211,4–24,2 518.09.20075,48,6–4,3664,6757,162512,442608,8–31,8 628.09.20073,611,0–6,7066,7711,054558,050099,4–8,2 711.07.20083,28,13,14,9635,1914,644515,235921,6–19,3 825.07.20081,06,22,63,3393,372–0,827121,725648,1–5,4 902.08.20088,811,05,36,0618,78444,952800,866648,926,2 1009.08.20086,84,04,43,2774,73144,426345,831995,021,4 1115.08.200824,281,537,822,09823,5766,7352542,6410423,316,4 1216.08.20085,627,47,315,55714,715–5,4143204,8141319,8–1,3 Zakres zmienności Range of variables1,0 – – 24,24,0 – – 81,52,6 – – 37,83,277 – 22,0983,032 – 23,576–19,6 – 44,926345,8 – – 352542,622559,1 – – 410423,3–34,4 – 26,2 Średnia wartość Average7,615,79,27,3608,02511,383793,284122,7–5,8 Odchylenie stand. Standard deviation6,121,612,75,6595,81019,690086,1107397,520,7 P – wysokość (suma) deszczu pomierzona na posterunkach opadowych: O – Okęcie, U – Ursynów, P – Pyry. P – The sum of rain depth measured at the stations: O – Okęcie, U – Ursynów, P – Pyry.

(12)

wów był mniejszy od 10%, a dla dzie- więciu – mniejszy od 20%. Największą zgodność uzyskano dla wezbrań z dnia 28.09.2007 roku i 25.07.2008 roku, dla których błędy względne były najmniejsze, 0,97 i –0,79%. Największy błąd (44,9 i 44,4%) oceny przepływów maksymalnych uzyskano w przypadku wez- brań w dniach 2 i 9.08.2008 roku. Uzy- skanie dużych błędów w symulacji tych dwóch zdarzeń skłania do poszukiwania dalszych przyczyn przeszacowania para- metrów, a przede wszystkim do popra- wienia oceny pola opadów jako wejścia do modelu.

Poza symulacją przepływów maksymalnych wykorzystanych do weryfi kacji modelu porównano wartości pomierzonych i obliczonych objętości wezbrań.

Objętości pomierzonego odpływu wa- hały się od 26 345,8 do 352 542,6 m³, przy wartości średniej wynoszącej 83 793,2 m³i odchyleniu standardowym 90 086,1 m³. W przypadku wezbrań sy-

mulowanych najmniejsze i największe wartości objętości wynosiły odpowiednio 22 559,1 i 410 423,3 m³. Ich wartość średnia wynosiła 84 122,7 m³, przy odchyleniu standardowym 107 397,5 m³. Błąd względny oceny objętości waha się od –34,4 do 26,2%. Wartość średnia błę- du wynosiła –5,8%, a odchylenia stan- dardowego 20,7%. Hydrogramy prze- pływu pomierzonego i symulowanego wezbrania z dnia 25.07.2008 roku, dla którego uzyskano najmniejszy błąd oceny przepływów maksymalnych, przedstawia rysunek 3.

Biorąc za podstawę zgodność przebiegu hydrogramów w czasie, można zauważyć dwudzielność osiągnięcia największych wartości wezbrania symulowanego i rzeczywistego – pierwszy z nich występuje 10 minut wcześniej.

Wartości przepływów kulminacyjnych są sobie prawie równe – różnica wynosi tylko 0,033 m³·s^–1. Charakterystyczne dla tego wezbrania, ale również dla pozosta-

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00

Czas od początku zdarzenia/Duration [godz]

Przepływ/Flow [m3·s–1]

Hydrogram symulowany/simulated hydrograph Hydrogram pomierzony/measured hydrograph

RYSUNEK 3. Hydrogramy pomierzonego i symulowanego przepływu podczas wezbrania w dniu 25.07.2008 roku

FIGURE 3. The hydrographs of measured and simulated fl ows

(13)

łych 12 pomierzonych zdarzeń jest to, że po zasadniczej fazie opadania przepły- wów następuje ponowny ich wzrost (za- znacza się kolejna kulminacja widoczna mniej lub bardziej wyraźne dla różnych zdarzeń) i utrzymuje się przez kilka/kil- kanaście godzin na poziomie wyższym od wartości przepływu przed wystąpie- niem wezbrania (pochodzącego z zasila- nia odpływem gruntowym). Można przy- jąć, że występowanie takiego wzrostu przepływów o łagodniejszym przebiegu jest wynikiem retencji wód deszczowych w opisywanych zbiornikach (podziemnych i powierzchniowych) oraz ograni- czonego wydatku istniejących przepu- stów, które opóźniają dopływ wód do rozpatrywanego profi lu zamykającego.

Prognoza przepływów

prawdopodobnych wywołanych ulewami

Jako zasadniczy cel artykułu przyję- to prognozę przepływów maksymalnych o określonym prawdopodobieństwie przekroczenia (p), wywołanych deszczami ulewnymi o tym samym praw- dopodobieństwie, tj. p = 100, 50, 20, 10 i 1%. Przy decyzji o wyborze do analizy deszczy charakteryzujących się prawdo- podobieństwami w zakresie od 100 do 10% kierowano się względami praktycz- nymi, ponieważ wywołane nimi prze- pływy są wykorzystywane w praktyce inżynierskiej do projektowania obiek- tów technicznych gospodarki wodnej i systemów odwadniających w obszarach zurbanizowanych. Potwierdzenie tego można znaleźć w badanej zlewni Potoku Służewieckiego, w której do wymiarowania podziemnych zbiorników, przechwytujących wody deszczowe na

obszarze lotniska Okęcie, wykorzystano przepływy obliczone dla deszczu o prawdopodobieństwie wystąpienia p = 20% (czasie trwania t = 15 min).

Zalecenia co do wykorzystywania prawdopodobnych deszczy nawalnych do wymiarowania burzowców w miastach zostały sformułowane przez polską i niemiecką normę: PN-S-02204 (1997) i ATV-Regelwerk (1990). Podobne zalecenia podają w swoich pracach Geiger i Dreiseitl (1999), Sawicka-Siarkiewicz i Błaszczyk (2007) oraz Słyś (2008).

Przyjęcie do prognozy odpływu deszczu o niskiej częstotliwości wystąpie- nia c = 100 lat (p = 1%) podyktowane było oceną zagrożenia powodziowego w badanej zlewni miejskiej.

Poza określeniem prawdopodobień- stwa wystąpienia deszczy do prognozy przepływów trzeba było jeszcze wybrać ich czas trwania. Najkrótszy czas deszczu, przyjęty empirycznie z pomiarów, wynosił t = 15 min. Taki czas trwania deszczu należy przyjmować w obliczeniach przepływów przy wymiarowaniu hydraulicznym urządzeń retencyjnych i infi ltracyjnych na obszarach miejskich.

Kolejny czas trwania deszczu przyjmo- wano z krokiem 15–30-minutowym, zwiększając go do momentu uzyskania reakcji w postaci maksymalnej wartości prognozowanego przepływu o danym prawdopodobieństwie przekroczenia.

Do obliczenia wysokości maksymalnego deszczu wykorzystano formułę zapropo- nowaną przez Bogdanowicz i Stachy’ego (1998), sformułowaną przy opisie kalibracji modelu (Barszcz 2009).

Zastosowanie obliczonych wysoko- ści deszczy do prognozy przepływów wymagało ponadto przyjęcia schematu zmienności natężenia w czasie trwania deszczu. W analizie 12 deszczy wy-

(14)

korzystanych przy weryfi kacji modelu rozpoznano występowanie różnych roz- kładów intensywności deszczy w czasie, które możemy zakwalifi kować do trzech uogólnionych typów – deszcz z mak- symalną intensywnością na początku, w środku i na końcu. Nie stwierdzono jednak wyraźnie dominującego typu. Wobec powyższego przyjęto uproszczenie, że ulewa ma stałą intensywność w czasie – równomierność (tzw. schemat blokowy).

Kolejnym bardzo ważnym elementem w prognozie przepływów było przyjęcie założenia o równomierności wysokości obliczonego deszczu w całej zlewni.

Wykorzystując model opad – odpływ zlewni Potoku Służewieckiego przeprowadzono prognozę przepływów prawdopodobnych w reakcji na przyjęte deszcze. Obliczone sumy wysokości deszczy i wywołane nimi przepływy maksymal-

TABELA 2. Charakterystyki ulew i wywołane nimi przepływy prawdopodobne TABLE 2. Characteristics of calculated rains and values of forecasted fl ows

p

Czas trwania deszczu

t Rain dura-

tion

Wysokość deszczu

P Rain depth

Przepływ Qp,t

Flow p

Czas trwania deszczu

t Rain dura-

tion

Wysokość deszczu

P Rain depth

Przepływ Qp,t

Flow

% min mm m³·s^–1 % min mm m³·s^–1

100

15 3,5 1,961

10

15 22,6 13,048

30 4,4 2,613 30 28,6 15,150

60 5,5 2,716 60 34,9 29,504

90 6,3 3,001 90 38,7 19,951

120 6,9 3,369 120 41,5 20,518

150 7,4 3,629 – – –

175 7,8 3,367 – – –

50

15 13,0 8,168

2

15 29,6 16,299

30 16,4 9,772 30 37,3 18,783

60 20,1 11,707 60 45,5 36,182

90 22,4 13,450 90 50,5 22,881

120 24,1 13,938 120 54,0 23,359

150 25,0 13,773 – – –

20

15 19,0 11,423

1

15 32,2 16,704

30 24,0 13,157 30 40,6 20,987

60 29,3 26,577 60 49,5 38,951

90 32,6 17,957 90 54,9 23,592

120 35,0 18,430 120 58,8 24,203

Zakres zmienności

Range of variables 3,5–35,0 1,961–

–26,577 × × 22,6–58,8 13,048–

–38,951 Objaśnienia/Explanations:

p – prawdopodobieństwo wystąpienia deszczu i przepływu / rain and fl ow probability.

Liczby wytłuszczone – maksymalny przepływ prawdopodobny Q_maxp,t/ Bold number – maximum pro- bably fl ow Qmaxp,t.

(15)

ne, prognozowane w profi lu Rosoła badanej zlewni, zestawiono w tabeli 2.

Wysokość deszczy ulewnych waha- ła się od 3,5 do 58,8 mm, odpowiednio dla największego prawdopodobieństwa i czasu trwania t = 15 min oraz dla naj- mniejszego prawdopodobieństwa (p =

= 1%) i czasu trwania deszczu t = 120 min. Wywołane przez te deszcze prze- pływy w cieku odpowiadały wartości od 1,961 do 38,951 m³·s^–1, przy czym naj- większy przepływ uzyskano w przypadku deszczu o prawdopodobieństwie 1%

i czasie trwania 60 min. Maksymalne wartości przepływów (Q_max,p,t), prognozowane dla poszczególnych prawdo- podobieństw deszczy p [%] i ich czasu trwania t [min], wynosiły:

Qmax,100%,150min = 3,629 m³·s^–1, Qmax,50%,120min = 13,938 m³·s^–1, Qmax,20%,60min = 26,577 m³·s^–1, Qmax,10%,60min = 29,504 m³·s^–1, –

– – –

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

Czas trwania deszczu/Rain duration – t [min]

Przepływ maksymalny/Max. flow – Qmax [m3·s–1]

p = 100%

p = 50%

p = 20%

p = 10%

p = 2%

p = 1%

Qmax,50%,120min

Qmax,100%,150min

Qmax,1%,60min

RYSUNEK 4. Prognozowane przepływy wywołane ulewami o różnym prawdopodobieństwie wystą- pienia

FIGURE 4. The forecasted maximum fl ows

Qmax,2%,60min = 36,182 m³·s^-1, Qmax,1%,60min = 38,951 m³·s^–1 (tab. 2).

Zmienność obliczonych przepływów w zależności od prawdopodobieństwa i czasu trwania deszczy przedstawia tak- że rysunek 4.

Jak wynika z obliczeń (tab. 2 i rys.

4), największe przepływy o prawdopo- dobieństwach 100 i 50% były wywołane deszczem trwającym odpowiednio 150 i 120 min. W zakresie mniejszych praw- dopodobieństw największe przepływy osiąga zlewnia pod wpływem deszczy trwających 60 min.

Ponieważ przyjęto założenie, że pole opadu deszczu odnosi się do całego obszaru zlewni, to wywołane nimi prze- pływy są większe niż uzyskane w przypadku wystąpienia deszczy o mniejszym zasięgu obszarowym. W celu wstępnego rozpoznania, jak duży wpływ na wartość przepływu ma zasięg obszarowy desz- –

–

(16)

czu (w tym wielkość i charakterystyka obszaru objętego opadem deszczu), przeprowadzono symulację prognozy przepływów, przyjmując, że deszcz o wybranych charakterystykach będzie ograniczony tylko do zlewni cząstko- wej Ursynowa o powierzchni 4,51 km² (11,4% całej badanej zlewni), ale od- znaczającej się największym udziałem uszczelnienia i skanalizowania. Uzyska- na w tych analizach wartość przepływu w reakcji na deszcz o prawdopodobień- stwie 1% i czasie trwania 60 min wynosi 18,174 m³·s^–1, co stanowi 46,6% wartości przepływu prognozowanego dla deszczu o tych samych charakterystykach, ale od- noszącego się do całej badanej zlewni.

Podsumowanie i wnioski

W artykule scharakteryzowano obiekty i parametry modelu matematycznego opad – odpływ SWMM (Storm Wa- ter Management Model), uwzględnione dla systemu hydrologicznego i hydraulicznego zlewni Potoku Służewieckiego po profi l Rosoła. Aby możliwie dokład- nie uwzględnić zmienność przestrzenną procesu odpływu z badanej zlewni, dokonano szczegółowego jej podziału na zlewnie cząstkowe, wyróżniając 2076 zlewni homogenicznych. Głównym kryterium podziału na zlewnie cząstko- we był charakter użytkowania obszaru i związany z nim procentowy udział powierzchni nieprzepuszczalnych. W modelu SWMM uwzględniono posterunki opadowe, podziemne i powierzchniowe zbiorniki retencyjne oraz sieć kanaliza- cyjną i przepusty drogowe.

Przedstawiono wyniki weryfi kacji modelu, przeprowadzonej na podstawie dwunastu ulew wywołujących wezbrania w latach 2007–2008, zdarzeń stano- wiących tzw. materiał niezależny, a więc niewykorzystywany w procesie kalibracji modelu. Jako zasadniczy cel artyku- łu przyjęto określenie maksymalnych przepływów prawdopodobnych wywo- łanych deszczami ulewnymi, przyjmując założenie, że prognozowane przepływy można opisać tym samym prawdopo- dobieństwem jak deszcze, które je wy- wołały. Stosując formułę Bogdanowicz i Stachy’ego, obliczono wysokości opa- dów deszczu w przyjętym czasie trwania, określonych maksymalnym zakresem od 15 do 175 min, charakteryzujących się prawdopodobieństwami p = 100, 50, 20, 10, 2 i 1%.

Model symulacyjny został wykorzystany dla zlewni Potoku Służewieckiego w profi lu zamykającym przy ulicy Ro- soła. Weryfi kacja modelu oraz prognoza przepływów prawdopodobnych pozwa- lają sformułować następujące wnioski:

Opracowanie modelu opad – odpływ zlewni zurbanizowanej wymagało uwzględnienia w nim dużej liczby obiektów oraz podziału zlewni na zlewnie cząstkowe (charakteryzu- jące się odmiennymi warunkami transformacji opadu w odpływ), aby jak najlepiej odwzorować proces i zidentyfi kować parametry systemu hydrologicznego badanej zlewni.

Uzyskane w weryfi kacji modelu war- tości symulowanych przepływów kulminacyjnych wezbrań charakte- ryzowały się średnim błędem oceny, wynoszącym 11,3% (w stosunku do wartości pomierzonych), przy odchyleniu standardowym 19,6%.

1.

2.

(17)

Dla siedmiu spośród dwunastu analizowanych zdarzeń obliczony błąd estymacji przepływów był mniejszy od 10%, a dla dziewięciu mniejszy od 20%.

Mając na uwadze przyszłe bardziej szczegółowe analizy procesu opad – odpływ w badanej zlewni oraz zmniejszenie błędu oceny przepły- wów kulminacyjnych i objętości symulowanych wezbrań, przewiduje się jeszcze dokładniejszą identyfi ka- cję parametrów obiektów uwzględ- nionych w modelu. Priorytetem jest poprawienie oceny pola opadów (zasięgu obszarowego i zmienności przestrzennej wysokości opadów deszczu) jako wejścia do modelu.

Z wstępnych analiz wynika, że za- sięg obszarowy deszczu i charakterystyka obszaru objętego opadem (udział powierzchni nieprzepuszczalnych i skanalizowanych, wy- stępowanie obiektów retencyjnych) mają decydujący wpływ na wartości przepływów.

Prognozowane wartości maksymal- nych przepływów (Q_max,p,t) dla przy- jętych prawdopodobieństw przekroczenia p [%] oraz czasów trwania deszczy t [min] wynoszą:

Qmax,100%,150min = 3,629 m³·s^–1, Qmax,50%,120min = 13,938 m³·s^–1, Qmax,20%,60min = 26,577 m³·s^–1, Qmax,10%60min = 29,504 m³·s^–1, Qmax,2%,60min = 36,182 m³·s^–1, Qmax,1%,60min = 38,951 m³·s^–1.

Należy mieć na uwadze, że podane wartości przepływów prognozowano w reakcji na deszcze obliczeniowe, dla których przyjęto założenie o równomier- ności rozkładu ich wysokości na całej powierzchni zlewni.

3.

4.

– – – – – –

Porównując przepływy prognozowane i przepustowość Potoku Słu- żewieckiego w profi lu wodowska- zowym Rosoła, stwierdzono, że pro- gnozowany maksymalny przepływ o prawdopodobieństwie przekroczenia 20% (wywołany deszczem ulew- nym występującym przeciętnie raz na 5 lat), wynoszący 26,577 m³·s^–1, jest znacznie większy od natężenia przepływu określonego dla brzegowego stanu wody, wynoszącego w przybliżeniu 15,5 m³·s^–1. Na- tomiast maksymalny przepływ o prawdopodobieństwie 50% (13,938 m³·s^–1)jest mniejszy od przepływu brzegowego o 1,5 m³·s^–1.

Model zurbanizowanej zlewni Poto- ku Służewieckiego jest modelem dynamicznym, którego funkcje trans- formujące opad w odpływ oparte są na fi zyczno-matematycznym opisie poszczególnych procesów. To po- zwala znaleźć szerokie zastosowanie modelu w badanej zlewni, między innymi w różnych aspektach projektowania obiektów inżynierii wodnej (do wyznaczania przepływów mia- rodajnych i kontrolnych o zadanym prawdopodobieństwie przekroczenia, oceny wpływu projektowanych przedsięwzięć na wielkość odpły- wu), w bieżącej prognozie wezbrań i zarządzaniu odpływem, do przewi- dywania wpływu zmian wywołanych działalnością człowieka na obszarze zlewni (zmian użytkowania terenu) na reżim odpływu oraz w badaniach naukowych dostarczających infor- macji o procesach zachodzących w zlewni.

1.

2.

(18)

Literatura

ATV-Regelwerk, Arbeitsblatt A138 1990: Bau und Bemessung von Anlagen zur dezentralen Versickerung von nicht schädlich verunrei- nigtem Niederschlagswasser. St. Augustin.

ATV-Schriftenreihe (Abwassetechnische Verei- nigung e.v.) 1997: Versickerung von Regen- wasser. Bonner Universitäts-Buchdruckerei, Bonn.

BAJKOWSKI S. 2008: Analiza warunków dzia- łania przepustu na Potoku Służewieckim pod ulicą Kłobucką. Materiały niepublikowane.

Katedra Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska SGGW, Warszawa.

BANASIK K., BARSZCZ M., HEJDUK L.

2007. Current and perspective fl ood fl ow consequences of land use changes in Sluzew Creek (Suburb of Warsaw). Proc. COST Ses- sion Aquaterra Conference 2007, Hamburger Wasserbau: 3–16.

BARSZCZ M. 2009: Analysis of freshets caused by heavy rainfall on small urbanized drainage basin of Służew Stream. Studia Geotechnica et Mechanica 4: 3–15.

BIELAWSKI Z. 1994: Określenie charakterystyk odpływu z terenów zurbanizowanych na podstawie cech fi zycznych zlewni i opadu.

Monografi e Komitetu Gospodarki Wodnej PAN 5.

BOGDANOWICZ E., STACHY J. 1998: Maksy- malne opady deszczu w Polsce. Charaktery- styki projektowe. Materiały badawcze. Seria:

Hydrologia i Oceanologia 23. Wydawnictwo IMGW, Warszawa.

CIEPIELOWSKI A., DĄBKOWSKI Sz.L. 2006:

Metody obliczeń przepływów maksymalnych w małych zlewniach rzecznych (z przykłada- mi). Projprzem-EKO, Bydgoszcz.

GEIGER W., DREISEITL H. 1999: Nowe spo- soby odprowadzania wód deszczowych. Po- radnik. Przekład J. Brzeski. Projprzem-EKO, Bydgoszcz.

GRADOWSKI Ł., BANASIK K. 2007: Wpływ zbiornika Staw Berensewicza na redukcję fali wezbraniowej Potoku Służewieckiego.

Przegl. Nauk. Inżynieria i Kształtowanie Środowiska XVII, 2 (40): 13–25.

GUTRY-KORYCKA M. 2007: Odpływ ze zlewni zurbanizowanych. Prace i Studia Geogra- fi czne 38: 37–56.

Mapa topografi czna 2004. Numery arkuszy:

N-34-138-D-b-2, N-34-139-C-a-1, N-34- 138-B-d-4, N-34-139-A-c-1, N-34-139-C- a-3. Główny Urząd Geodezji i Kartografi i, Warszawa.

OKSIUTA M. 2007: Ocena odpływu wezbra- niowego ze zlewni Potoku Służewieckiego w Warszawie. Prace i Studia Geografi czne 38: 57–71.

Operat hydrologiczny Potoku Służewieckiego w przekroju ul. Przyczółkowej 2002. Ma- teriały niepublikowane. Katedra Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska SGGW, Warszawa.

PARK S.Y., LEE K.W., PARK I.H., HA S.R. 2008:

Effect of the aggregation level of surfach runoff fi elds and sewer network for a SWMM simulation. Desalination 226: 328–337.

PETERSON E.W., WICKS C.M. 2006: Assess- ing the importance of conduit geometry and physical parameters in karst systems using the storm water management model (SWMM).

J. of Hydrology 329: 294–305.

PN-S-02204 1997: Drogi samochodowe. Odwod- nienie dróg. Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa.

ROSSMAN L.A. 2005: Storm water management model user`s manual version 4. National Risk Managemen Research Laboratory, Cin- cinnati.

SAWICKA-SIARKIEWICZ H., BŁASZCZYK P.

2007: Urządzenia kanalizacyjne na terenach zurbanizowanych. Wymagania techniczne i ekologiczne. Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa.

SCS National Engineering Handbook 1972: Soil Conservation Service Sec. 4, Hydrology.

USDA.

SŁYŚ D. 2008: Retencja i infi ltracja wód deszczowych. Wydawnictwo Politechniki Rze- szowskiej, Rzeszów.

Szczegółowa mapa geologiczna Polski 1978.

Numery: 559-Raszyn, 560-Piaseczno, 524- Warszawa wschód, 523-Warszawa Zachód.

Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa.

(19)

Summary

Forecast of probably fl ows caused by heavy rainfall on urbanized drainage ba- sin of Służew Stream. The main goal of this study was to evaluate the SWMM model’s (i.e. Storm Water Management Model) appli- cability to simulation of runoff in the Służew Stream basin (located in the southern part of Warsaw). The twelve rainfall-runoff event measured at the surveyed Rosoła profi le, were used to the verifi cation of the model. In the next phase, the SWMM model was used

in order to determine the probable maximum fl ows, caused by estimated rainfall with 100, 50, 20, 10, 2 and 1% probability.

Author’s address:

Mariusz Barszcz

Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego Katedra Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środo- wiska

ul. Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa Poland

e-mail: mariusz_barszcz@sggw.pl